Ako bude vesmírny teleskop Jamesa Webba loviť exoplanéty

Keď čerstvo spustený vesmírny teleskop Jamesa Webba úplne rozvinie a príde online, nebude to len ďalší nástroj pre astronómov na skúmanie vesmíru. So svojou špičkovou technológiou spektroskopie bude môcť nahliadnuť do temnoty vesmíru a vidieť vzdialené objekty podrobnejšie než kedykoľvek predtým – oveľa viac ako jeho predchodca, Hubbleov vesmír Teleskop. Prinesie revolúciu v našom chápaní exoplanét a dokonca by nám to mohlo pomôcť dozvedieť sa, odkiaľ sme prišli a kde inde vo vesmíre by mohli byť obývateľné.

Aby sme získali prehľad o tom, ako nám vesmírny teleskop Jamesa Webba pomôže študovať rotujúce gule skalných biliónov kilometrov ďaleko (a prečo to astronómovia chcú), oslovili sme dvoch výskumníci, ktorí budú spolupracovať s Jamesom Webbom po nasadení: Néstor Espinoza z Space Telescope Science Institute a Antonella Nota z Európskej vesmírnej agentúry (ESA).

Obrovský skok vpred

V posledných rokoch výskumníci identifikovali planéty mimo našej slnečnej sústavy pomocou ďalekohľadov ako napr TESS (satelit na prieskum tranzitujúcich exoplanet) alebo Vesmírny ďalekohľad Kepler. Tieto sú schopné pozerať sa na najjasnejšie hviezdy a vidieť zmeny v ich jasnosti, keď medzi nimi a nami prechádza planéta pomocou techniky nazývanej tranzitný spôsob. Je to pôsobivý výkon vedeckého pozorovania, ale nehovorí nám veľa o tom, aké sú tieto planéty - len ich približná veľkosť a príležitostne ich hmotnosť.

Ak chceme vedieť, aká je planéta – má atmosféru? z čoho sa skladá? sú na oblohe mraky? je tam voda? - musíme sa pozrieť oveľa, oveľa podrobnejšie. To je to, čo Webb urobí, ale je to obrovská technická výzva. To je dôvod, prečo NASA, ESA a Kanadská vesmírna agentúra (CSA) spolupracujú na tomto projekte.

„Webb je stokrát citlivejší ako Hubbleov teleskop a vďaka tomu bude Webb schopný odhaliť najslabšie detaily v najvzdialenejších kútoch veľmi vzdialeného vesmíru s vynikajúcim rozlíšením,“ Nota vysvetlil.

Zatiaľ čo Hubble bol zvyknutý dozvedieť sa viac o exoplanétach, Espinoza povedal: „Pohľad, ktorý vám to dáva, je veľmi úzky. Dá vám to možno jednu vlastnosť.“ Na porovnanie, povedal, Webb bude „ohromujúci“, čo nám umožní vidieť niekoľko prvkov naraz a pozrieť sa na menšie planéty. "Bude to naša prvá zmena pozrieť sa na menšie planéty do veľkých detailov."

Hubbleov teleskop tiež pracuje vo viditeľnej vlnovej dĺžke a zachytáva obrázky v rozsahu svetla, ktorý môžeme vidieť. Ale James Webb bude pracovať v infračervenej vlnovej dĺžke, ktorá dokáže vybrať rôzne funkcie a nahliadnuť cez zatemňujúci prach a „otvoriť okno do vesmíru, ktorý bude úplne nový“, ako hovorí Nota položiť to.

Hubble a Webb budú môcť spolupracovať a zbierať komplementárne údaje o rovnakých cieľoch. Takže ak máte radi nádherné obrázky vesmíru zachytené Hubbleom, nebojte sa, tieto nezmiznú. Jednoducho získame ďalší nástroj na ešte hlbšie pochopenie.

„James Webb bude revolučný. Doslova revolučné,“ povedal Espinoza. „Umožní nám to vidieť veci, ktoré sme dlho očakávali, že ich odhalíme, ale nezistili sme to mali technológiu na to, aby sme to videli, a som si celkom istý, že zistí veci, na ktoré nemyslíme z.“

Aktualizácia technológie Hubbleovho teleskopu z 80. rokov 20. storočia

Výskumníci odviedli pozoruhodnú prácu pri hľadaní a učení sa o exoplanétach pomocou v súčasnosti dostupných nástrojov, pričom doteraz objavili viac ako 4 000 exoplanét. Toto pole je však veľmi nedávne, pričom prvé planéty mimo našej slnečnej sústavy boli identifikované v 90. rokoch minulého storočia. To znamená, že mnohé prístroje súčasnej generácie, ako napríklad Hubble, neboli nikdy navrhnuté s ohľadom na štúdie exoplanét.

„Hubble je technológia z 80. rokov,“ povedal Espinoza. „Nič proti 80-tym rokom – milujem 80. roky, najmä hudbu! – ale technológia sa veľmi vyvinula. Druhy detektorov, ktoré sme mali vtedy, nie sú ničím v porovnaní s druhmi detektorov, ktoré máme teraz.“

James Webb, na druhej strane, bol navrhnutý so špecifickým zámerom na použitie na charakterizáciu exoplanét, a to bolo v popredí jeho princípov dizajnu. Napríklad, keď Webb ukazuje na hviezdu, ukáže na konkrétny pixel s veľmi vysokou presnosťou a vôbec pohybovať, čo umožňuje výskumníkom veľmi presne zmerať akékoľvek poklesy jasu, ktoré by mohli poskytnúť vodítko k planéte v obežná dráha.

Táto úroveň presnosti umožňuje Webbovi vykonávať jeho najvzrušujúcejšiu funkciu súvisiacu s exoplanétou: Zisťovanie, či má exoplanéta atmosféru a z čoho sa táto atmosféra skladá. "Malé detaily, na ktorých záleží, keď sa pokúšate odhaliť atmosféru exoplanét," vysvetlil Espinoza.

Skúmanie exoplanét pomocou infračerveného svetla

Aj keď výskumníci na niektoré prišli veľmi kreatívne spôsoby do detekovať atmosféru exoplanét, nie je to niečo, na čo boli súčasné nástroje navrhnuté. To je dôvod, prečo budú schopnosti Webba také revolučné.

Na nahliadnutie do vesmíru má Webb štyri prístroje, ktoré sa budú pozerať v infračervenej vlnovej dĺžke. Zahŕňajú Near-Infrared Camera (NIRCam) a Near-Infrared Spectrograph (NIRSpec). Potom je tu snímač jemného navádzania/blízka infračervená snímka a bezštrbinový spektrograf (FGS/NIRISS), ktoré, ako už ich názov napovedá, budú vyzerať v pásme blízkej infračervenej oblasti. Nakoniec je tu Mid-Infrared Instrument (MIRI), ktorý vyzerá v širokom rozsahu vo vzdialenom infračervenom pásme.

Ide však o citlivé nástroje a na fungovanie vyžadujú starostlivo udržiavané prostredie. Takže technológia okolo nich musí byť tiež špičková.

„Webb je plný až po okraj novej, komplexnej technológie, od citlivých infračervených detektorov až po päťvrstvovú tenkú slnečnú clonu Kapton s veľkosťou tenisového kurtu, ktorá bude chrániť prístrojové vybavenie zo slnečného žiarenia a umožní teleskopu a detektorom dosiahnuť nízku teplotu potrebnú na pozorovanie v infračervenom spektre,“ Nota povedal.

Poukázala tiež na jemné detaily na prístrojoch, ako je mikrospúšťové pole NIRSpec, čo je súbor malých okenných okien s veľkosťou niekoľkých ľudských vlasov. To umožní prístroju pozorovať stovky objektov súčasne. "Absolútna novinka vo vesmírnej astronómii, kde sa spektroskopia tradične vykonáva jeden objekt po druhom," povedal Nota.

Pochopenie, odkiaľ sme prišli

Impulz k tomu, aby sme zistili, či má vzdialená planéta atmosféru, nie je len vedecký rozkvet alebo zbytočná zvedavosť na to, aké sú tieto vzdialené miesta. Skôr je kľúčom k pochopeniu toho, ako sa vytvárajú planéty – vrátane našej vlastnej.

Pokiaľ ide o pochopenie toho, ako sa vytvorila naša slnečná sústava, výskumníci spúšťajú modely a snažia sa zistiť, ako sme mohli skončiť so zložením planét, ktoré vidíme. "Momentálne však máme veľkosť vzorky jedna," zdôraznil Espinoza. „Naša slnečná sústava. to je všetko. Teraz sme v ére, keď môžeme nahliadnuť do zloženia iných solárnych systémov. A to, ako sa planéty tvoria, určuje ich chemické zloženie."

Keď sa teda pozrieme na atmosféru vzdialenej exoplanéty, dozvieme sa, ako vznikla. A z toho si môžeme vytvoriť obraz o tom, ako sa planéty a slnečné sústavy formujú, na základe viacerých prípadov, ako len ten na našom dvore. "Takže získať tieto náznaky podpisov formácie v týchto exoplanétach prostredníctvom chémie, ktorú pozorujeme na ich planétach." Atmosféra je pre nás absolútne zásadná, aby sme pochopili, ako vznikli, a teda ako sme vznikli,“ povedal povedal.

Lov za obývateľnosťou

Snáď najvzrušujúcejším dôvodom, prečo sa pozrieť na atmosféry exoplanét, je pochopiť, kde inde vo vesmíre by mohol prekvitať život. "Jednou z kľúčových otázok, ktoré bude Webb študovať, je pôvod života," povedal Nota. „Existuje obrovské množstvo exo-svetov, viac, ako sme si dokázali predstaviť. Veľmi blízko ich hviezdy obiehajú plynné planéty veľkosti Jupitera, obrovské kamenné „superzeme“ a „teplé“. Neptúny.“ Niektoré z nich môžu mať správne teplotné podmienky a správne zloženie život.”

Espinoza povedal, že na určenie, či je planéta obývateľná, nestačí len poznať jej veľkosť a hmotnosť. Koniec koncov, keď nájdeme planétu, ktorá má veľkosť Zeme a má podobnú hmotnosť, ľudia často predpokladajú, že to bude miesto podobné Zemi. Ale Venuša a Mars majú približne podobnú veľkosť a hmotnosť ako Zem a majú atmosféru, ktorá je pre našu formu života mimoriadne nehostinná. “Venuša je najhoršie miesto na dovolenku!” žartoval, s jeho nesmiernym tlakom a toxickou atmosférou plnou oxidu uhličitého. Mars na tom nie je o nič lepšie, s extrémne tenkou, nedýchateľnou atmosférou, ktorá je len 1% hustoty našej atmosféry na Zemi.

Preto potrebujeme vedieť o atmosfére, aby sme vedeli, či je jednotlivá planéta obývateľná. A čo je ešte dôležitejšie, aby sme získali odhad, koľko obývateľných planét by tam mohlo byť, musíme vedieť, aké typy atmosfér sú typické pre planéty s veľkosťou ako je tá naša. "Aká je najbežnejšia atmosféra, ktorú tvorí príroda?" spýtal sa Espinoza. "Mohlo by to byť podobné Venuši alebo Marsu a Zem je odľahlá." Alebo to môže byť tak, že atmosféra podobná Zemi je typická a počet potenciálne obývateľných planét je obrovský.

Siahnúť do neznáma

Webb sa nebude pozerať len na exoplanéty. Bude vykonávať obrovský rozsah výskumu, od pohľadu späť do najranejších fáz vesmíru, aby videl formujúce sa prvé galaxie, až po sledovanie toho, ako sa hviezdy rodia z víriaceho prachu a plynu. S tým naplánovaný prvý rok vedeckej prevádzky, len stierame povrch toho, na čo by sa tento nový nástroj dal použiť. Budeme musieť počkať a uvidíme, aké ďalšie astronomické zázraky bude môcť odhaliť.

"Myslím si, že najväčší objav bude ten, ktorý nikto neočakáva," povedal Nota. "Ten, ktorý zmení spôsob, akým vidíme vesmír, ten, ktorý bude možno raz navždy definovať naše miesto vo vesmíre."

Odporúčania redaktorov

• James Webb si všimol staroveký prach, ktorý by mohol pochádzať z najstarších supernov
• Priblížte si ohromujúci obrázok Jamesa Webba a uvidíte galaxiu sformovanú pred 13,4 miliardami rokov
• James Webb spozoroval najvzdialenejšiu aktívnu supermasívnu čiernu dieru, aká bola kedy objavená
• James Webb nájde stopy k rozsiahlej štruktúre vesmíru
• James Webb deteguje dôležitú molekulu v úžasnej hmlovine Orion